DE4107693C2 - System zur Regelung und Steuerung eines Laders - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein System zur Regelung und Steuerung eines Laders gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Ein solches System ist aus dem SAE Paper 8 60 487 bekannt. Dort wird ein System zur Regelung und Steuerung eines Laders beschrieben. Ein Steuergerät bestimmt abhängig von verschiedenen Betriebsparametern ein Ansteuersignal für ein Stellwerk. Bei diesem Stellwerk handelt es sich vorzugsweise um ein sogenanntes Wastegate. Ein solches Wastegate ist üblicherweise ein Ventil, mit dem der Abgasstrom wahl­ weise über den Turbolader bzw. direkt zum Auspuff geleitet wird. Das Wastegate ist üblicherweise in einer Umgehungsleitung, die den Tur­ bolader überbrückt, angeordnet. In diesem Fall gelangt das Abgas bei geschlossenem Wastegate zum Turbolader.

Derartige Regelsysteme können auch noch mit Zusatzfunktionen ausgerüstet sein, die unter speziellen Betriebsbedingungen aktiviert werden. Beispielsweise ist aus der DE 32 04 918 A1 ein System zum Steuern des Einlaßdrucks eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem der Sollwert für den Einlaßdruck über den Sollwert beim ständigen Betrieb angehoben wird, wenn die Rate, mit der die Last zunimmt, größer als ein vorbestimmter Wert ist.

Bei solchen Regelsystemen treten Probleme auf, wenn der Sollwert für den Lagedruckregelkreis kurzzeitig abfällt. Dieser Abfall hat zur Folge, daß das Wastegate öffnet, und die Drehzahl des Turboladers abfällt. Wird anschließend an die Absenkung des Sollwerts erneut ein erhöhter Ladedruck gefordert, so dauert es eine gewisse Zeit bis der entsprechende Ladedruck wieder zur Verfügung steht. Der Abfall des Ladedrucks führt zu einem schlechten dynamischen Verhalten der Brennkraftmaschine.

Eine solche kurzfristige Absenkung des Sollwerts für den Ladedruck tritt im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine sehr häufig auf. So sinkt bei jedem Schaltvorgang die Last kurzfristig ab. Dies be­ wirkt einen Abfall des Ladedrucksollwerts mit den oben beschriebenen Nachteilen.

Aus der DE 39 34 306 A1 ist ein Luftzufuhrsteuersystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, das einen Hochschaltdetektor am Getriebe der Brennkraftmaschine aufweist. Wenn der Hochschaltdetektor ein Hochschalten erfaßt, hält ein Vorverdichtungsleistungsänderungsregler eine Vorverdichtungsleistungsänderungseinrichtung von einer Reduzierung der Vorverdichtungsleistung ab. Allerdings ist es bei diesem Steuersystem erforderlich, daß ein Hochschaltdetektor am Getriebe angebracht wird.

Aus der DE 36 23 541 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Turbolader bekannt. Beim Übergang der Brennkraftmaschine in den Schubbetrieb wird ein Abblaseventil, das in einer Bypassleitung um die Turbine des Turboladers herum eingebaut ist, für wenigstens eine begrenzte Zeitspanne in den geschlossenen Zustand gesteuert. Das aus dieser Schrift bekannte Verfahren greift somit erst dann und auch nur dann, wenn es zu einem Übergang in den Schubbetrieb kommt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Einrichtung zur Regelung eines Laders der eingangs genannten Art eine Möglichkeit aufzuzeigen, das dynamische Verhalten des Re­ gelsystems zu verbessern.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung bewirken, daß bei plötzlich absinkender Last das Wastegate geschlossen bleibt und somit der Ladedruck nicht abfällt. Dadurch steht bei anschließendem höheren Ladedruckbedarf der volle Ladedruck sehr schnell wieder zur Verfügung. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird das differenzierte Lastsignal ausgewertet, so daß weder ein Hochschaltdetektor benötigt wird noch ein Übergang in den Schubbetrieb abgewartet werden muß. Weiterhin ergibt sich ein wesentlich besseres dynamisches Verhalten. Gleichzeitig werden Ruckelerscheinungen, die sehr oft nach dem Schaltvorgang auftreten, deutlich reduziert.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsform erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Lader,

Fig. 2 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Systems.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Darstellung des erfindungsgemäßen Systems. Die zur Verbrennung benötigte Luft gelangt über eine Frischluftleitung 10 zu den einzelnen Zylindern einer Brennkraft­ maschine 100. Über eine Abgasleitung 20 wird das Abgas zu einem La­ der geleitet. Das Abgas treibt eine Turbine 30 des Laders an. Die Turbine 30 treibt wiederum einen Verdichter 40 an, der die Ansaug­ luft verdichtet. Der Lader kann mittels eines Stellwerks 50, das auch als Wastegate bezeichnet wird, gesteuert werden. Dieses Stell­ werk zur Steuerung und Regelung des Ladedrucks befindet sich vor­ zugsweise in einer Umgehungsleitung, die die Turbinen 30 überbrückt. Bei betätigtem Ladedruckventil gelangt das Abgas direkt zum Auspuff, zur Turbine 30 gelangt je nach Stellung des Ladedruckregelventils nur noch eine geringere Abgasmenge.

Das Wastegate 50 wird von einer Steuereinheit 60 mit entsprechenden Steuersignalen beaufschlagt. Um eine Regelung des Ladedrucks zu er­ möglichen, erfaßt ein Ladedrucksensor 70 den tatsächlichen Ladedruck in der Ansaugleitung 10. Zur Berechnung des Ladedrucksollwert erhält die Steuereinheit 60 Signale von einem Drehzahlsensor 80, einem Lastgeber 90 sowie von weiteren Sensoren 95.

Ausgehend von dem Drehzahlsignal und einem Lastsignal sowie von Signalen von weiteren Sensoren berechnet die Steuereinheit 60 einen Sollwert für den Ladedruck. Abhängig von dem Vergleich zwischen dem vom Ladedrucksensor 70 erfaßten tatsächlichen Ladedruck und dem Sollwert bestimmt die Steuereinheit 60 ein Steuersignal zur Ansteu­ erung des Wastegates 50. Ist der Ladedruck zu hoch, so öffnet das Wastegate die Umgehungsleitung, und der Ladedruck fällt ab.

In bestimmten Betriebszuständen kann nun der Fall eintreten, daß das Lastsignal sehr stark abfällt. Dies hat zur Folge, daß der Sollwert für den Ladedruck ebenfalls stark abfällt. Eine solche Sollwertab­ nahme bewirkt ein Stellsignal zum Öffnen des Wastegates 50. Nach Öffnen des Wastegates fällt die Laderdrehzahl sehr stark ab. Wird anschließend erneut eine hohe Last angefordert, so schließt das Wastegate die Umgehungsleitung und das gesamte Abgas wird wieder auf die Turbine geleitet. Nach einer Verzögerungszeit baut sich wieder ein entsprechender Ladedruck auf.

Da das gesamte System sehr langsam reagiert, steht der volle Lade­ druck erst nach einer unerwünschten Verzögerungszeit zur Verfügung, hierdurch wird das dynamische Verhalten der Brennkraftmaschine ver­ schlechtert.

Solche kurzzeitigen Lastabfälle mit anschließendem hohen Lastbedarf treten insbesondere beim Schalten auf. Beim Schaltvorgang läßt üb­ licherweise der Fahrer das Fahrpedal los. Ein nicht betätigtes Fahr­ pedal signalisiert der Steuereinheit 60 eine niedere Last. Betätigt der Fahrer nach dem Schaltvorgang das Fahrpedal, so ergibt sich wie­ der ein erhöhtes Lastsignal. Insbesondere beim Hochschalten, einem Gangwechsel in einen höheren Gang, wird nach dem Schaltvorgang eine höhere Last angefordert als vor dem Schaltvorgang.

In Fig. 2 ist eine detaillierte Ausführung der Steuereinheit 60 auf­ gezeigt. Elemente die auch in Fig. 1 auftreten, sind in Fig. 2 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Eine Sollwertberechnung 110 bestimmt abhängig von dem Drehzahlsensor 80, dem Lastgeber 90 und den weiteren Sensoren 95 einen Sollwert. Dieser wird zu einem Addi­ tionspunkt 130 geführt. Das Ausgangssignal des Lastgebers 90 gelangt weiterhin zu einer Vorsteuerung 120, die ebenfalls ein Ausgangs­ signal an den Additionspunkt 130 oder einen Additionspunkt 155 ab­ gibt. Die Summe der beiden Signale wird mittels eines Begrenzers 140 auf einen höchstzulässigen Wert begrenzt. Im Summationspunkt 145 wird dieses Signal mit dem tatsächlichen Ladedruck und dem Ausgangs­ signal des Ladedrucksensors 70 verglichen. Das Vergleichssignal ge­ langt zu einem Regler 150, der ein Stellsignal für das Wastegate 50 ausgibt.

Die Funktionsweise dieses Systems ist nun wie folgt. Im statischen Betrieb, dies bedeutet, es liegen nur geringe, langsame Laständerun­ gen vor, arbeitet das System wie ein herkömmlicher Ladedruckregler.

Die Sollwertberechnung 110 berechnet abhängig von verschiedenen Signalen einen Sollwert, der durch einen Begrenzer 140 auf einen höchstzulässigen Wert begrenzt wird. In einem Summationspunkt 145 wird dieses Signal mit dem Istwert, dem Ausgangssignal des Lade­ drucksensors 70 verglichen. Abhängig von dem Vergleich bestimmt der Regler 150 dann ein Stellsignal zur Ansteuerung des Wastegates 50.

Die Vorsteuerung 120 ist nur im dynamischen Betrieb aktiv. Die Vor­ steuerung 120 gibt ein zusätzliches Sollsignal aus, wenn sie einen plötzlichen Abfall des Lastsignals erkennt. Eine solche starke Ab­ nahme der Last liegt zum Beispiel vor, wenn der Fahrer das Fahrpedal während des Schaltvorgangs losläßt. In diesem Fall gibt die Vorsteu­ erung 120 ein solches Signal an den Additionspunkt 130 aus, daß das Wastegate schließt.

Im einfachsten Fall wählt die Vorsteuerung dieses Signal so, daß der Sollwert auf seinem bisherigen Wert bleibt. Eine besonders vorteil­ hafte Ausgestaltung sieht vor, daß die Vorsteuerung bei einem er­ kannten plötzlichen Lastabfall einen bestimmten festen Wert vorgibt. Vorzugsweise wird dieser Wert so gewählt, daß das Wastegate ge­ schlossen bleibt bzw. schließt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, bei denen die Sollwertbe­ rechnung bei losgelassenem Fahrpedal nur einen sehr kleinen Lade­ druck-Sollwert vorgibt, hält die Vorsteuerung den Sollwert bei jedem Gangwechsel auf einem solchen Wert, daß das Wastegate schließt oder wenigstens in seiner bisherigen Position verbleibt. Durch diese Vor­ gehensweise wird erreicht, daß bei plötzlichem Lastabfall der Soll­ wert nicht abfällt. Somit bleibt das Wastegate beim Gangwechsel ge­ schlossen. Steigt die Last wieder an, so steht der volle Ladedruck sofort wieder zur Verfügung.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Ausgangssignal der Vorsteuerung 120 unter Umgehung des Reglers 150 zum Additions­ punkt 155 gelangt. Die Vorsteuerung gibt also direkt ein Stellsignal zur Ansteuerung des Stellwerks 50 vor. Besonders vorteilhaft wird dieses Stellsignal so gewählt, daß das Wastegate schließt. Um unde­ finierte Zustände des Reglers zu vermeiden ist bei dieser Ausgestal­ tung vorgesehen, daß der Regeler 150 abgeschaltet wird. Diese Aus­ gestaltung ist in der Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet.

Eine weitere Ausgestaltung, die ebenfalls gestrichelt eingezeichnet ist, sieht einen Tiefpaß 92 für das Lastsignal vor. Ein solcher Tiefpaß filtert kurzfristige Abfälle des Lastsignals aus. Das Last­ signal reagiert damit nicht auf kurzfristige Lastabfälle.

Eine schnelle Laständerung kann besonders vorteilhaft durch eine Differentiation des Lastsignals erkannt werden. Hierzu wird in der Vorsteuerung 120 das Lastsignal differenziert. Übersteigt das dif­ ferenzierte Lastsignal eine vorgegebene Schwelle, so erkennt die Vorsteuerung einen plötzlichen Lastabfall und gegebenenfalls einen Gangwechsel.

Eine Realisierung sieht vor, daß als Vorsteuerung 120 ein DT1-Glied dient. Ein solches DT1-Glied differenziert das anliegende Lastsignal und gibt je nach Höhe des differenzierten Lastsignals einen ent­ sprechenden Vorsteuerwert aus.

Als Lastsignal wird vorzugsweise die Fahrpedalstellung ausgewertet, da der Fahrer beim Schaltvorgang üblicherweise das Fahrpedal los­ läßt. Bei Fahrzeugen mit Automatikgetrieben ist dies nicht möglich. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht daher vor, das als Lastsignal ein Mengensignal für die einzuspritzende Kraftstoffmenge ausgewertet wird. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung gelangt das Lastsignal, das zur Ladedruck-Sollwert-Berechnung herangezogen wird, zur Auswertung. Die Sollwertberechnung 110 und die Vorsteuerung 120 werten das gleiche Lastsignal aus.

Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen wird als Lastsignal ein Signal, das die Drosselklappenstellung kennzeichnet, herangezogen.

Das Ausgangssignal der Vorsteuerung gelangt zur Additionsstelle 130. Im Additionspunkt 130 werden Ladedrucksollwert und Vorsteuersignal addiert. Dies hat zur Folge, daß das Wastegate aufgrund des kurz­ zeitig angehobenen Sollwerts geschlossen bleibt. Dadurch wird ermög­ licht, daß bei einer nachfolgenden Lastzunahme der volle Ladedruck sofort wieder zur Verfügung steht.

Damit werden schnelle Lastwechsel mit Ladedruckabsenkung, insbeson­ dere während Schaltvorgängen, ausgeblendet. Bei Lastzunahme ist der Vorsteuerwert positiv bzw. Null. Im Stationärbetrieb oder bei lang­ samen Laständerungen ist der Vorsteuerwert ebenfalls Null, der Soll­ wert bleibt in diesem Fall unkorrigiert.

Mit dem erfindungsgemäßen System ergibt sich eine verbesserte Last­ aufnahme bei schnellen Lastwechseln insbesondere bei Schaltvorgän­ gen. Desweiteren besitzt die Vorrichtung den Vorteil, daß kein zu­ sätzliches Signal erforderlich ist, das einen Schaltvorgang anzeigt. Ein solches Signal ist zum Beispiel ein Ausgangssignal eines Schal­ ters der einen Gangwechsel anzeigt. Ein solcher Schalter kann zum Beispiel im Getriebe oder der Kupplung angeordnet sein. Auch ist keine besondere Überwachungslogik für eine bleibende Ladedruckregel­ abweichungen bei betätigter Kupplung notwendig. Ferner hat dieses System keinen Einfluß auf den Ladedrucksollwert im stationären Be­ trieb und damit auch nicht auf die Emissionen des Fahrzeugs.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise läßt sich ohne weiteres auch auf andere Lader übertragen, die mittels anderer Stellwerke gesteuert werden.

Claims (3)

1. System zur Regelung und Steuerung eines Laders einer Brennkraftmaschine, wobei ein vorgegebener Sollwert des Ladedrucks mit einem Istwert verglichen wird und abhängig von diesem Vergleich ein Stellsignal zur Ansteuerung eines Stellwerks gebildet wird, wobei der Sollwert wenigstens von einem Drehzahlsignal und einem Lastsignal abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die bei einer Abnahme des Lastsignals, bei der das differenzierte Lastsignal einen Schwellwert überschreitet, den Sollwert des Ladedrucks anheben oder konstant halten.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absenkung des Ladedrucks vorzugsweise bei einem Gangwechsel entgegengewirkt wird.

3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Vorsteuerung von dem Lastsignal abhängt und die Vorsteuerung DT1 Verhaltung aufweist.